Thesis by KHODAYARI Sarvenaz
Focused Ultrasound Neurostimulation for Targeted Neurotransmitter Release : Feasibility, Spatial Targeting, and Dopamine Release Dynamics
Defended on 25 february 2026
Neurodegenerative diseases, particularly Parkinson’s disease (PD) and Alzheimer’s disease (AD), are characterized by progressive neuronal dysfunction and impaired neurotransmitter homeostasis, leading to severe cognitive and motor impairment. To date, there is no cure for AD, while for PD, drug treatments remain symptomatic and can induce significant side effects. Existing neuromodulation approaches, such as deep brain stimulation (DBS) or transcranial magnetic stimulation (TMS), have significant limitations, particularly in terms of invasiveness or precision in targeting deep brain structures. In this context, focused ultrasound (FUS) appears to be a promising alternative for neuromo- dulation, allowing precise targeting of deep brain regions while remaining minimally invasive or non-invasive. However, the underlying neural mechanisms, particularly those involved in neu- rotransmitter release, remain poorly understood. This thesis aims to determine whether single- pulse FUS neurostimulation sequences, using megahertz ultrasonic frequencies compatible with an intracranial extradural implantable approach, can reliably induce dopamine (DA) release in human dopaminergic neurons (in-vitro), and to lay the foundations for future applications (in-vivo) in animals. In order to study FUS neurostimulation and monitor DA release, we have developed a hybrid platform combining an implantable FUS neurostimulation prototype and a carbon fiber microelectrode (CFME) neuromonitoring system, enabling selective spatiotemporal detection of DA by fast-scan cyclic voltammetry (FSCV). This platform is based on a new design of perforated FUS transducer ensuring precise co-localization between the ultrasonic focal zone and the recording electrode. In-vitro experiments, performed on differentiated human dopami- nergic neurons and standard neural-glial cultures used as controls, demonstrated that a single 5 MHz FUS pulse, lasting a few hundred microseconds, is sufficient to induce immediate calcium transients and measurable DA release exclusively in dopaminergic neurons. The amplification of signals by pharmacological inhibition of DA reuptake confirms the causal nature of this release, while acoustic simulations attribute the observed effects to localized mechanical forces rather than thermal heating. These responses are induced focally, with a spatial resolution of approxi- mately 300 µm, without the need for glial cells. Complementary in-vivo studies in mice and rats validated FSCV for real-time DA measurement and identified rats as a more robust model for future neurostimulation studies. Although FUS-induced DA release in-vivo remains to be demonstrated, this work establishes a comprehensive experimental infrastructure for subsequent translational studies. Overall, this thesis confirms certain mechanistic hypotheses of focused ul- trasound neurostimulation and provides proof of concept for the causal release of DA induced by single FUS pulses in the MHz range. It introduces dedicated FUS/FSCV hybrid technologies and paves the way for precise, minimally invasive neurostimulation and neuromodulation strategies with strong potential for future therapeutic applications.
Neurostimulation par Ultrasons Focalisés pour la Libération Ciblée de Neurotransmetteurs : Faisabilité, Ciblage Spatial et Dynamique de Libération de la Dopamine
Soutenue le 25 February 2026
Les maladies neurodégénératives, notamment la maladie de Parkinson (PD) et la maladie d’Alzheimer (AD), se caractérisent par un dysfonctionnement neuronal progressif et une alté- ration de l’homéostasie des neurotransmetteurs, entraînant des troubles cognitifs et moteurs sévères. À ce jour, aucun traitement curatif n’existe pour l’AD, tandis que pour la PD, les traitements médicamenteux restent symptomatiques et peuvent induire des effets secondaires significatifs. Les approches de neuromodulation existantes, telles que la stimulation cérébrale profonde (DBS) ou la stimulation magnétique transcrânienne (TMS), présentent des limitations importantes, notamment en termes d’invasivité ou de précision pour le ciblage de structures cérébrales profondes. Dans ce contexte, les ultrasons focalisés (FUS) apparaissent comme une alternative prometteuse pour la neuromodulation, permettant un ciblage précis de régions profondes du cerveau tout en restant peu ou pas invasifs. Cependant, les mécanismes neuronaux sous-jacents, en particulier ceux impliqués dans la libération de neurotransmetteurs, demeurent encore mal compris. Cette thèse vise à déterminer si des séquences de neurostimulation par FUS à impulsion unique, utilisant des fréquences ultrasonores de l’ordre du mégahertz et compatibles avec une approche implantable intracrânienne extradurale, peuvent induire de manière fiable la libération de dopa- mine (DA) dans des neurones dopaminergiques humains (in-vitro), et à poser les bases d’appli- cations futures (in-vivo) chez l’animal. A fin d’étudier la neurostimulation FUS et monitorer la libération de DA, nous avons développé une plateforme hybride combinant un prototype implan- table de neurostimulation FUS et un système de neuromonitorage par microélectrodes en fibre de carbone (CFME), permettant une détection spatio-temporelle sélective de la DA par volta- métrie cyclique à balayage rapide (FSCV). Cette plateforme repose sur une nouvelle conception de transducteur FUS perforé assurant une colocalisation précise entre la zone focale ultrasonore et l’électrode d’enregistrement. Les expériences in vitro, réalisées sur des neurones dopaminergiques humains différenciés et sur des cultures neurales-gliales standard servant de contrôle, ont démontré qu’une impulsion unique de FUS à 5 MHz, d’une durée de quelques centaines de microsecondes, est suffisante pour induire des transitoires calciques immédiats et une libération mesurable de DA exclusivement dans les neurones dopaminergiques. L’amplification des signaux par inhibition pharmacologique de la recapture de la DA confirme la nature causale de cette libération, tandis que des simu- lations acoustiques attribuent les effets observés à des forces mécaniques localisées plutôt qu’à un échauffement thermique. Ces réponses sont induites de manière focale, avec une résolution spatiale d’environ 300 µm, sans nécessité de cellules gliales. Des études complémentaires in vivo chez la souris et le rat ont permis de valider la FSCV pour la mesure en temps réel de la DA et d’identifier le rat comme un modèle plus robuste pour de futures études de neurostimulation. Bien que la libération de DA induite par FUS in vivo reste à démontrer, ce travail établit une infrastructure expérimentale complète pour des études translationnelles ultérieures. Dans l’ensemble, cette thèse confirme certaines hypothèses mécanistiques de la neurostimulation par ultrasons focalisés et fournit une preuve de concept de la libération causale de dopamine induite par des impulsions uniques de FUS dans la gamme des MHz. Elle introduit des techno- logies hybrides dédiées FUS/FSCV et ouvre la voie à des stratégies de neurostimulation et de neuromodulation précises et peu invasives, avec un fort potentiel pour de futures applications thérapeutiques.
Defended on 25 february 2026
Neurodegenerative diseases, particularly Parkinson’s disease (PD) and Alzheimer’s disease (AD), are characterized by progressive neuronal dysfunction and impaired neurotransmitter homeostasis, leading to severe cognitive and motor impairment. To date, there is no cure for AD, while for PD, drug treatments remain symptomatic and can induce significant side effects. Existing neuromodulation approaches, such as deep brain stimulation (DBS) or transcranial magnetic stimulation (TMS), have significant limitations, particularly in terms of invasiveness or precision in targeting deep brain structures. In this context, focused ultrasound (FUS) appears to be a promising alternative for neuromo- dulation, allowing precise targeting of deep brain regions while remaining minimally invasive or non-invasive. However, the underlying neural mechanisms, particularly those involved in neu- rotransmitter release, remain poorly understood. This thesis aims to determine whether single- pulse FUS neurostimulation sequences, using megahertz ultrasonic frequencies compatible with an intracranial extradural implantable approach, can reliably induce dopamine (DA) release in human dopaminergic neurons (in-vitro), and to lay the foundations for future applications (in-vivo) in animals. In order to study FUS neurostimulation and monitor DA release, we have developed a hybrid platform combining an implantable FUS neurostimulation prototype and a carbon fiber microelectrode (CFME) neuromonitoring system, enabling selective spatiotemporal detection of DA by fast-scan cyclic voltammetry (FSCV). This platform is based on a new design of perforated FUS transducer ensuring precise co-localization between the ultrasonic focal zone and the recording electrode. In-vitro experiments, performed on differentiated human dopami- nergic neurons and standard neural-glial cultures used as controls, demonstrated that a single 5 MHz FUS pulse, lasting a few hundred microseconds, is sufficient to induce immediate calcium transients and measurable DA release exclusively in dopaminergic neurons. The amplification of signals by pharmacological inhibition of DA reuptake confirms the causal nature of this release, while acoustic simulations attribute the observed effects to localized mechanical forces rather than thermal heating. These responses are induced focally, with a spatial resolution of approxi- mately 300 µm, without the need for glial cells. Complementary in-vivo studies in mice and rats validated FSCV for real-time DA measurement and identified rats as a more robust model for future neurostimulation studies. Although FUS-induced DA release in-vivo remains to be demonstrated, this work establishes a comprehensive experimental infrastructure for subsequent translational studies. Overall, this thesis confirms certain mechanistic hypotheses of focused ul- trasound neurostimulation and provides proof of concept for the causal release of DA induced by single FUS pulses in the MHz range. It introduces dedicated FUS/FSCV hybrid technologies and paves the way for precise, minimally invasive neurostimulation and neuromodulation strategies with strong potential for future therapeutic applications.
Neurostimulation par Ultrasons Focalisés pour la Libération Ciblée de Neurotransmetteurs : Faisabilité, Ciblage Spatial et Dynamique de Libération de la Dopamine
Soutenue le 25 February 2026
Les maladies neurodégénératives, notamment la maladie de Parkinson (PD) et la maladie d’Alzheimer (AD), se caractérisent par un dysfonctionnement neuronal progressif et une alté- ration de l’homéostasie des neurotransmetteurs, entraînant des troubles cognitifs et moteurs sévères. À ce jour, aucun traitement curatif n’existe pour l’AD, tandis que pour la PD, les traitements médicamenteux restent symptomatiques et peuvent induire des effets secondaires significatifs. Les approches de neuromodulation existantes, telles que la stimulation cérébrale profonde (DBS) ou la stimulation magnétique transcrânienne (TMS), présentent des limitations importantes, notamment en termes d’invasivité ou de précision pour le ciblage de structures cérébrales profondes. Dans ce contexte, les ultrasons focalisés (FUS) apparaissent comme une alternative prometteuse pour la neuromodulation, permettant un ciblage précis de régions profondes du cerveau tout en restant peu ou pas invasifs. Cependant, les mécanismes neuronaux sous-jacents, en particulier ceux impliqués dans la libération de neurotransmetteurs, demeurent encore mal compris. Cette thèse vise à déterminer si des séquences de neurostimulation par FUS à impulsion unique, utilisant des fréquences ultrasonores de l’ordre du mégahertz et compatibles avec une approche implantable intracrânienne extradurale, peuvent induire de manière fiable la libération de dopa- mine (DA) dans des neurones dopaminergiques humains (in-vitro), et à poser les bases d’appli- cations futures (in-vivo) chez l’animal. A fin d’étudier la neurostimulation FUS et monitorer la libération de DA, nous avons développé une plateforme hybride combinant un prototype implan- table de neurostimulation FUS et un système de neuromonitorage par microélectrodes en fibre de carbone (CFME), permettant une détection spatio-temporelle sélective de la DA par volta- métrie cyclique à balayage rapide (FSCV). Cette plateforme repose sur une nouvelle conception de transducteur FUS perforé assurant une colocalisation précise entre la zone focale ultrasonore et l’électrode d’enregistrement. Les expériences in vitro, réalisées sur des neurones dopaminergiques humains différenciés et sur des cultures neurales-gliales standard servant de contrôle, ont démontré qu’une impulsion unique de FUS à 5 MHz, d’une durée de quelques centaines de microsecondes, est suffisante pour induire des transitoires calciques immédiats et une libération mesurable de DA exclusivement dans les neurones dopaminergiques. L’amplification des signaux par inhibition pharmacologique de la recapture de la DA confirme la nature causale de cette libération, tandis que des simu- lations acoustiques attribuent les effets observés à des forces mécaniques localisées plutôt qu’à un échauffement thermique. Ces réponses sont induites de manière focale, avec une résolution spatiale d’environ 300 µm, sans nécessité de cellules gliales. Des études complémentaires in vivo chez la souris et le rat ont permis de valider la FSCV pour la mesure en temps réel de la DA et d’identifier le rat comme un modèle plus robuste pour de futures études de neurostimulation. Bien que la libération de DA induite par FUS in vivo reste à démontrer, ce travail établit une infrastructure expérimentale complète pour des études translationnelles ultérieures. Dans l’ensemble, cette thèse confirme certaines hypothèses mécanistiques de la neurostimulation par ultrasons focalisés et fournit une preuve de concept de la libération causale de dopamine induite par des impulsions uniques de FUS dans la gamme des MHz. Elle introduit des techno- logies hybrides dédiées FUS/FSCV et ouvre la voie à des stratégies de neurostimulation et de neuromodulation précises et peu invasives, avec un fort potentiel pour de futures applications thérapeutiques.
